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capesa_PHYSIQUE_CHIMIE_Externe_2_Sujet_2010 1/12 CONCOURS DE RECRUTEMENT AU PROFESSORAT CAPESA

DE L"ENSEIGNEMENT DU SECOND DEGRE AGRICOLE

SESSION 2010

Concours : EXTERNE

Section : PHYSIQUE - CHIMIE

DEUXIEME EPREUVE ECRITE D"ADMISSIBILITE

Composition de chimie avec applications

(Coefficient 2,5 : - Durée : 4 heures)

Matériel autorisé : calculatrice

Au cours de l"épreuve, la calculatrice est autorisée pour réaliser des opérations de calcul, ou bien

pour élaborer une programmation, à partir des données fournies par le sujet.

Tout autre usage est interdit.

Le candidat est invité à répondre aux questions qui lui sont posées en rappelant leur numérotation.

Si, au cours de l"épreuve, le candidat repère ce qui lui semble être une erreur d"énoncé, il le signale

dans sa copie et poursuit sa composition en indiquant les raisons des initiatives qu"il est amené à

prendre pour cela. Les correcteurs tiendront le plus grand compte du soin et de la présentation de la copie.

capesa_PHYSIQUE_CHIMIE_Externe_2_Sujet_2010 2/12 Ce sujet est constitué de deux parties indépendantes (première partie : " D"huile et d"eaux » et

deuxième partie : " Quelques aspects de la chimie du glucose ») ; il est vivement conseillé aux

candidats des les aborder toutes les deux. Dans chacune de ces parties, de nombreuses sections et questions sont indépendantes. PREMIÈRE PARTIE : D"HUILE ET D"EAUX (13 points)

DONNÉES

Phénolphtaléine : zone de virage incolore 8,2 - 10,0 rose fuschia

Ke = 10

-14 à 25 °C

Masses molaires :

Oléine : M

ol = 884,0 g.mol-1

Palmitine : M

pal = 806,0 g.mol-1 Hydroxyde de potassium (ou potasse) : MKOH = 56,1 g.mol-1

Diiode I

2 : MI2 = 253,8 g.mol-1

Chlorure de sodium : M

NaCl = 58,5 g.mol-1

Eau : M

H2O = 18,0 g.mol-1

Potentiels standard d"oxydoréduction à 25°C : I

2(aq) / I-(aq) : E°1 = 0,62 V

S

4O62-(aq) / S2O32-(aq) : E°2 = 0,09 V

Hg

2+(aq) / Hg(l) : E° = 0,85 V

Constantes d"acidité à 25°C : acide gras pK

A » 5

relatives à l"EDTA : pK

A1 = 2,0 ; pKA2 = 2,7 ; pKA3 = 6,2 ; pKA4 = 10,2

NH

4+ / NH3 : pKA = 9,2

HCO

2H / HCO2- : pKA" = 3,8

H

2O2 / HO2- : pKA"" = 11,6

Constantes globales de formation à 25°C : [HgY]

2- : log b = 21,8

[CaY]

2- : log b" = 10,6

Potentiel de l"électrode au calomel saturé (E.C.S.) à 25°C : E(ECS) = 0,24 V

FRT ln 10 = a = 0,059 V R = 8,314 J.K-1.mol-1

Numéros atomiques

Elément Hydrogène H Bore B Carbone C Oxygène O Phosphore P

Z 1 5 6 8 15

Electronégativité selon Pauling

élément H B O Cl I

c 2,20 2,04 3,44 3,16 2,66

Acide gras :

· Il existe différentes façons de désigner les acides gras. Une de ces méthodes consiste à

écrire : " le nombre total de carbone : le nombre de doubles liaisons, la géométrie des doubles liaisons, la position des doubles liaisons. ». La numérotation des positions des doubles liaisons s©effectue à partir du groupe méthyle

situé au bout de la chaîne qui est, par convention, la position n. Le carbone suivant est noté

n-1, etc. Dans certains cas, on n"indique que le nombre de carbone et le nombre de double liaison. Par exemple, l"acide a-linolénique peut s"écrire : 18 : 3 cis, cis, cis, n-3, n-6, n-9. La double liaison désignée par n-3, par exemple, se situe entre les carbones n-2 et n-3. Cet acide peut être simplement désigné par 18 : 3.

capesa_PHYSIQUE_CHIMIE_Externe_2_Sujet_2010 3/12 · Températures de fusion de quelques acides gras

Acides gras Température de fusion (°C)

6 : 0 - 3

8 : 0 16

12 : 0 44

18 : 0 69

20 : 0 75

18 : 1 13

18 : 2 - 5

18 : 3 - 11

24 : 1 43

A- Les corps gras (7 points)

Les lipides constituent une famille biochimique du vivant importante. Ils sont formés à partir d"acides gras, composés essentiellement de carbone, d"oxygène et d"hydrogène. Parmi les lipides, on trouve les huiles et les graisses que l"on appelle corps gras.

On considérera qu"un corps gras est une substance naturelle ou élaborée, d"origine animale ou

végétale, contenant principalement des triglycérides. Un triglycéride est un triester du propane-1,2,3-triol.

1. Définition, structure, propriétés

1.1 Donner la position dans le tableau périodique des trois éléments chimiques carbone, oxygène et

hydrogène. Etablir la configuration électronique des atomes correspondants dans leur état fondamental.

1.2 Définir un lipide, un acide gras, un acide gras saturé, un acide gras insaturé.

1.3 Etablir la formule brute d"un acide gras saturé puis celle d"un acide gras mono-insaturé

comportant n carbones.

1.4 L"acide a-linolénique (18 : 3 cis, cis, cis, n-3, n-6, n-9)

1.4.1 Représenter la formule semi-développée de cet acide, en faisant apparaître clairement

les positions cis.

1.4.2 Donner son nom en nomenclature officielle.

1.4.3 Calculer le nombre de stéréo-isomères de cet acide a priori possibles.

1.5 Les triglycérides

Les propriétés physiques des triglycérides sont importantes du point de vue technologique. Elles

sont dues essentiellement aux acides gras.

1.5.1 Préciser l"origine de l"appellation triglycéride.

1.5.2 Donner la formule semi-développée générale d"un triglycéride.

1.5.3 L"oléine est le triglycéride issu de l"acide oléique (18 : 1 cis, n - 9) et la palmitine le

triglycéride issu de l"acide palmitique (16 : 0). Ecrire la formule topologique, ou à défaut la formule semi-développée, de l"acide oléique et de l"acide palmitique.

1.5.4 A partir du tableau des températures de fusion nommer les paramètres qui ont un rôle

sur la température de fusion des acides gras.

capesa_PHYSIQUE_CHIMIE_Externe_2_Sujet_2010 4/12 1.5.5 Évaluer, en justifiant la réponse, l"ordre de grandeur de la température de fusion des

acides suivants : a) L"acide béhénique 22 : 0. b) L"acide érucique 22 : 1.

1.6 Décrire en moins de quatre lignes deux rôles majeurs des lipides.

1.7 Citer deux familles biochimiques importantes du vivant autres que les lipides.

2. Caractéristiques d"une huile

De nombreux critères de qualité permettent de caractériser les huiles et les graisses : densité, indice

de réfraction, indice d"acidité, indice de saponification, indice d"iode, indice de peroxyde ...

Généralement, une huile contient des acides gras en quantité variable.

2.1 Proposer une explication à cette présence d"acides gras non estérifiés.

L"huile considérée par la suite est un mélange de deux triglycérides, l"oléine C

57H104O6 et la

palmitine C

51H98O6. Il s"agit de déterminer la composition massique de cette huile. On suppose ici

que cette huile contient des acides gras en quantité suffisamment faible pour pouvoir être négligés.

2.2 L"indice de saponification est donné par la masse de potasse (exprimée en mg) qui permet de

saponifier les esters présents et de neutraliser les acides également présents dans une masse de

1,00 g du corps gras. Pour déterminer cet indice, on introduit :

- dans un ballon, noté I, des volumes V = 20 mL d"éthanol à 95 % et V" = 20,0 mL de solution alcoolique de potasse. - dans un ballon, noté II, une masse m = 0,50 g de l"huile étudiée et des volumes V = 20 mL d"éthanol à 95 % et V" = 20,0 mL de la solution alcoolique de potasse. On chauffe à reflux pendant deux heures les deux ballons.

Après avoir laissé refroidir les montages, on titre l"excès d"ions hydroxyde par une solution

d"acide chlorhydrique de concentration C A = 0,198 mol.L-1 en présence de phénolphtaléine. Pour observer le changement de teinte de l"indicateur coloré, il faut verser V

I = 22,3 mL de la

solution d"acide chlorhydrique dans le ballon I et V

II = 13,5 mL dans le ballon II.

2.2.1 Avec quels instruments a-t-on mesuré les volumes V et V" ?

2.2.2 Justifier le fait que l"on utilise de l"éthanol et une solution alcoolique de potasse.

2.2.3 Dessiner le schéma d"un montage à reflux et en nommer les différentes parties.

2.2.4 Écrire l"équation des réactions de saponification de l"oléine, notée (1), et de la

palmitine, notée (2), en utilisant les formules semi-développées.

2.2.5 On admet que les résultats relatifs aux solutions aqueuses sont transposables aux

solutions alcooliques. Écrire l"équation (on pourra utiliser les formules brutes) de la (des) réaction(s) de dosage envisageable(s) lors de l"addition de la solution d"acide chlorhydrique dans : a) le ballon I ; b) le ballon II. Justifier que l"indicateur coloré choisi permet de doser le seul excès d"ions hydroxyde.

2.2.6 Déterminer la concentration de la solution de potasse utilisée.

2.2.7 Expliquer pourquoi il est nécessaire d"étalonner la solution de potasse. Quelle opération

a permis de répondre à cette nécessité ?

capesa_PHYSIQUE_CHIMIE_Externe_2_Sujet_2010 5/12 2.2.8 Déduire des résultats des dosages réalisés la valeur de l"indice de saponification de

l"huile considérée.

2.3 L"indice d"iode est donné par la masse de diiode, exprimée en g, qui pourrait se fixer, par

addition, sur 100 g de corps gras. En fait, on utilise le réactif de Wijs constitué par une solution

de chlorure d"iode ICl dans l"acide acétique. Pour déterminer l"indice d"iode, on introduit : - dans un erlenmeyer, noté I, des volumes V = 30 mL de trichlorométhane et V" = 25,0 mL de réactif de Wijs. - dans un erlenmeyer, noté II, une masse m = 0,50 g de l"huile étudiée et des volumes V = 30 mL de trichlorométhane et V" = 25,0 mL de réactif de Wijs. On place les deux erlenmeyers à l"obscurité pendant deux heures. On ajoute ensuite, dans chacun d"entre eux, 4 g d"iodure de potassium et 140 mL d"eau distillée et on agite. On titre ensuite les solutions obtenues par une solution de thiosulfate de sodium de concentration C = 0,200 mol.L-1. Pour la solution de l"erlenmeyer I, le volume équivalent vaut V

EI = 23,2 mL alors que pour la

solution de l"erlenmeyer II, il est égal à V

EII = 10,8 mL.

2.3.1 Ecrire l"équation de la réaction (a) qui a lieu entre l"oléine et le chlorure d"iode.

Justifier le fait qu"on utilise le chlorure d"iode à la place du diiode. La palmitine peut-elle réagir avec le chlorure d"iode ? Justifier.

2.3.2 Ecrire l"équation de la réaction (b) qui se produit entre le chlorure d"iode et l"ion iodure

et qui conduit à du diiode. La masse d"iodure de potassium doit-elle être prélevée avec précision ? Justifier.

2.3.3 Ecrire l"équation de la réaction de titrage (c). Expliquer comment on peut repérer la fin

de ce titrage avec précision.

2.3.4 Déterminer la quantité de diiode contenue dans chaque erlenmeyer après l"ajout de

l"iodure de potassium et avant le titrage.

2.3.5 Calculer la quantité n

f(ICl) de chlorure d"iode qui a été fixée par l"huile étudiée.

2.3.6 En déduire l"indice d"iode de l"huile considérée.

2.4 Soient n

ol et npal les quantités respectives d"oléine et de palmitine contenues dans une masse de

1,00 g de l"huile considérée.

2.4.1 Déduire de l"indice de saponification la quantité de triesters présents dans 1,00 g de

l"huile considérée.

2.4.2 A partir de l"indice d"iode et du résultat précédent, déterminer les quantités respectives

(en mol et en g) d"oléine et de palmitine présentes dans 1,00 g d"huile.

2.4.3 En déduire la composition massique de cette huile.

3. Etude cinétique d"une saponification

L"objectif est d"examiner la cinétique de la réaction de saponification d"un ester dans le cas de

l"éthanoate d"éthyle.

À l"instant t = 0, on réalise un mélange équimolaire d"éthanoate d"éthyle et d"hydroxyde de sodium

en solution. La température est maintenue à 25 °C. Par un moyen approprié, non détaillé ici, on mesure au cours du temps la concentration en hydroxyde de sodium. Les résultats sont consignés dans le tableau suivant : capesa_PHYSIQUE_CHIMIE_Externe_2_Sujet_2010 6/12 t (s) 0 60 120 180 240 300 360 [HO-] mmol.L-1 20,0 16,2 13,5 11,8 10,3 9,2 8,3

3.1 Ecrire à l"aide de formules semi-développées l"équation de la réaction de saponification et

nommer les produits formés.

3.2 Montrer que les résultats expérimentaux sont en accord avec un ordre global 2 pour la réaction.

3.3 En déduire la valeur de la constante de vitesse k.

B- Les eaux (4 points)

Sur la planète Terre, plus de 97 % du volume d"eau disponible se trouve dans les mers et les océans

et moins de 3% est constitué par de l"eau douce. L"eau douce disponible constitue moins de 0,02 %

de l"eau totale dont dispose la planète. L"alimentation en eau est un des problèmes majeurs de la

planète et des hommes. Il devient de plus en plus crucial.

1. Étude thermodynamique du mélange eau - chlorure de sodium

Les principales espèces ioniques contenues dans l"eau de mer sont les ions chlorure, sodium, magnésium, sulfate, calcium, potassium, hydrogénocarbonate. Le chlorure de sodium NaCl constitue près de 86 % en masse des substances dissoutes. Le document n° 1 représente une partie du diagramme binaire H

2O - NaCl, pour une pression de 1

bar. Dans toute cette partie, on considère la pression constante et égale à un bar.

1.1 La grandeur physique donnée en abscisse est-elle la fraction molaire ou la fraction massique en

NaCl ? Justifier.

1.2 Préciser la nature des phases présentes dans les différents domaines du diagramme (I jusqu"à

VI).

1.3 Nommer les points K et L.

1.4 Préciser le type de fusion du composé NaCl, 2 H

2O (noté DI sur le diagramme). Justifier la

réponse.

1.5 Soit un mélange contenant 5,0 g de chlorure de sodium pour 100,0 g de mélange.

1.5.1 Déterminer la température pour laquelle ce mélange commence à geler.

1.5.2 Donner la nature du solide qui se forme.

1.6 On réalise une solution d"eau salée, de masse 981 g, de fraction massique w = 12,0 % en NaCl,

à la température de 25 °C.

1.6.1 Déterminer les quantités de chlorure de sodium et d"eau nécessaires (en mol et en g) à la

réalisation de cette solution.

1.6.2 Calculer la fraction molaire en NaCl de cette solution.

1.6.3 On refroidit cette solution jusqu"à la température de - 40 °C.

a) Déterminer la nature et la masse des phases en équilibre à - 40 °C. b) En déduire la masse de chlorure de sodium dans chacune des phases à - 40 °C.

1.7 On considère, à la température initiale de 50 °C, un mélange de fraction massique égale à 80 %

en NaCl. On refroidit ce mélange jusqu"à la température de - 40 °C. Donner l©allure de la courbe

d©analyse thermique en précisant la variance, les températures de rupture de phase et la nature

des phases présentes pendant les différentes étapes du processus. capesa_PHYSIQUE_CHIMIE_Externe_2_Sujet_2010 7/12 2. Détermination de la dureté d"une eau

L"eau des rivières, des fleuves, des lacs contient, elle aussi, des espèces ioniques telles que les ions

sodium Na +, calcium Ca2+, magnésium Mg2+, hydrogénocarbonate HCO3-, sulfate SO42-.

Une eau dite dure contient des cations calcium et/ou magnésium à une concentration dépassant une

valeur fixée par une norme. La dureté de l"eau est une caractéristique importante de l"eau de

consommation dont on doit tenir compte dans la vie courante.

Elle s"exprime en degrés hydrotimétriques (°TH), qui correspondent aussi aux degrés français (°f),

et elle est égale à 10 fois la valeur de la concentration en ions calcium et magnésium, lorsque celle-

ci est exprimée en mmol.L -1. Elle est très souvent déterminée par titrage complexométrique à l"aide d"une solution d"EDTA, suivi par colorimétrie ou par potentiométrie.

2.1 L"acide éthylène diamine tétraacétique est un tétraacide noté H

4Y. Le dosage est réalisé en

milieu tamponné de pH = pK

A4 = 10,2.

2.1.1 Donner la définition d"une solution tampon.

2.1.2 On dispose des solutions suivantes :

- solution d"ammoniac NH 3 ; - solution de soude, Na + + HO- ; - solution d"acide formique HCO 2H ; - solution d"acide chlorhydrique. La concentration de ces différentes solutions est égale à 0,100 mol.L -1. Expliquer comment on peut préparer 100,0 mL d"une solution tampon de pH = 10,2.

2.1.3 Définir puis déterminer le pouvoir tampon de cette solution.

2.2 Le titrage est suivi par potentiométrie. L"électrode de mesure est une électrode de mercure mise

au contact d"une solution contenant le complexe [HgY]

2- à une concentration CC considérée

comme constante.

2.2.1 Préciser la nature de l"électrode de référence que l"on peut utiliser.

2.2.2 Montrer que, dans ces conditions, la différence de potentiel mesurée est fonction de la

concentration en ion Y

4-. Donner son expression.

2.2.3 Donner l"expression et la valeur du potentiel standard du couple [HgY]

2- / Hg(l).

2.3 L"eau étudiée contient des ions calcium et quasiment pas d"ions magnésium. Lors du titrage,

une solution contenant des ions H

2Y2- à la concentration C" = 0,010 mol.L-1 est ajoutée

progressivement dans un bécher contenant un volume V

0 = 50,0 mL de l"eau étudiée, un volume

V T = 25,0 mL de solution tampon de pH égal à 10,2 et deux gouttes d"une solution assez concentrée du complexe [HgY]

2-. Soit V", le volume de solution ajoutée.

2.3.1 Sous quelle(s) forme(s) l"EDTA prédomine-t-il dans la solution ?

2.3.2 Écrire l"équation de la réaction de titrage et déterminer la constante d"équilibre

correspondante.

2.3.3 Donner l"expression de la différence de potentiel e existant entre les électrodes avant

l"équivalence en fonction du volume V" ajouté.

2.3.4 Donner l"expression de la différence de potentiel e après l"équivalence en fonction du

volume V" ajouté.

2.3.5 Donner l"allure de la courbe e = f(V").

capesa_PHYSIQUE_CHIMIE_Externe_2_Sujet_2010 8/12 2.3.6 Le saut de potentiel obtenu expérimentalement permet de déterminer la valeur du

volume équivalent V" E = 11,7 mL. En déduire la dureté D de l"eau étudiée exprimée en degré hydrotimétrique (°TH). Conclure.

Caractère de l"eau douce mi-dure dure

°TH Jusqu"à 18 °TH De 18 à 30 °TH Plus de 30°TH

C- Les lessives (2 points)

Les lessives doivent avant tout nettoyer le linge et donc enlever des taches grasses, colorées, de

sang, de fruits...Elles peuvent aussi le parfumer, l"adoucir ; elles doivent respecter l"environnement

la couleur du tissu, et le tissu lui-même qu"il soit synthétique, en coton, en laine ...

Pour répondre à ces contraintes une lessive est un mélange d"ingrédients très variés, très étudiés et

de plus en plus sophistiqués : tensioactifs, agent de blanchiment, enzymes, phosphates... Cette partie s"intéresse à quelques uns de ces ingrédients.

1. Elimination des salissures grasses (ou étude des tensioactifs)

Un tensioactif est un composé amphiphile. Il existe quatre grandes classes de tensioactifs : les anioniques, les cationiques, les amphotères et les non-ioniques.

Souvent on les schématise ainsi :

1.1 Quel est le rôle d"un tensioactif ? Préciser ses propriétés essentielles.

1.2 Définir le terme amphiphile.

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